В каждой отрасли техники можно всегда найти своеобразное эхо давних времен, а именно названия, отражающие своего рода историю развития данного направления. И мало кто знает, что то или другое техническое понятие имеет длинный путь становления, привыкания, а в самом начале своего рождения знаменовало очередной, зачастую весьма значительный, шаг технического прогресса. Так, например, среди электрических терминов очень часто можно слышать выражения «трехфазное напряжение», «линейное напряжение», «постоянное» или «переменное напряжение» и множество других наименований со словом «напряжение».
Наибольшее распространение в электротехнике получили сети переменного напряжения синусоидальной формы. Максимальное значение напряжения при его колебании называется амплитудой Ua. Для такого напряжения применяют дополнительные единицы измерения - частота F и фаза ψ. Частота определяется количеством колебаний в единицу времени, а фаза - это временной сдвиг одинаковых точек колебания. Так уж сложилось исторически, что термином «фаза» стали называть и переменного напряжения, если она является частью системы из многих фаз - обычно трех. были очередным достижением электротехники и имеют так много достоинств, что пройти мимо просто невозможно. И самое главное из них - это возможность крайне просто, фактически без всяких усилий, получать вращающееся магнитное поле - основной принцип работы любого электродвигателя. В различают фазное и линейное напряжение, а ее особенность заключается в том, что каждая из фаз имеет сдвиг по отношению к остальным двум +/- 120 град. напряжения имеет выходные обмотки, в которых конструктивно задан сдвиг фаз. Каждая из обмоток имеет конец и начало: Н1-К1, Н2-К2, Н3-К3. В трехфазной системе возможны два варианта соединения фаз - «звезда» и «треугольник».
При соединении «звезда» все концы соединяются в одну точку - «вывод 0», а начала служат выводными концами для генератора и входными для запитанного им устройства. В такой системе линейное напряжение - это величина, измеренная между любой парой выходных концов Н1, Н2, Н3, и его обозначают Ulin. Есть и еще одна характеристика трехфазной сети - фазное напряжение. Его обозначают Uf и измеряют между точками «вывод 0» и любым из выходных концов К1, К2 и К3. Опуская подробности, следует отметить, что, исходя из векторной диаграммы для трехфазной сети, соотношения между этими напряжениями Ulin = Ѵ3 * Uf. При соединении «треугольник» концы обмоток соединяют по кольцу: К1-Н1-К2-Н2-К3-Н3-К1. Каждое соединение «конец - начало» является выводом, и при этом линейное напряжение не отличается от фазного, т.е. Ulin = Uf. Интересно сравнить между собой постоянное напряжение Udir и амплитуду переменного напряжения Ua, например, исходя из одинаковой энергии, выделяемой в нагрузке. Для этого случая Udir = Ѵ2 * Ua.
Вот так на протяжении десятилетий копились знания о сущности и природе электричества, и незаметно простое понятие «напряжение» обросло родственными терминами, расширяющими наши возможности в использовании природных явлений для нужд человека.
В электрических цепях бывают разные типы напряжения. Линейное напряжение можно наблюдать в трехфазной сети, где оно возникает между двумя фазовыми проводами. В большинстве случаев его уровень достигает 380 Вольт.
Отличие линейного от фазного напряжения
Если представить трехфазную цепь, то четко понятно, что в ней есть определенное напряжение между фазными контактами и фазным и нулевым проводом. Это происходит из-за того, что в этой схеме используется четырёхпроводная трехфазная цепь. Главные её характеристики – напряжение и частота. Напряжение, возникающее в цепи между двумя фазными проводами – это линейное, а то, что появляется между фазным и нулевым – фазным.
Примечательной особенностью линейного напряжения является то, что именно по нему рассчитываются токи и другие параметры трехфазной цепи. Кроме того, к такой схеме можно подключать не только стандартные трехфазные контакты, но и однофазные (это различные бытовые приборы, приемники). Номинальное равняется 380 вольт, при этом оно может изменяться в зависимости от скачков или других перемен в локальной сети.
Существует несколько вариантов такого соединения, скажем, система с нейтралью под заземлением является самой популярной. Она характеризуется тем, что подключение к ней производится по особой схеме :
- Однофазные отводы подключаются к фазным проводам;
- Трехфазные – к трехфазным, соответственно.
Линейное напряжение имеет очень широкое использование благодаря своей безопасности и удобства разветвления сети. Электрические приборы подключаются только к одному- фазному проводу, опасность представляет он один. Расчет системы очень прост, в нем руководствуются стандартными формулами из физики. При этом, чтобы измерить этот параметр сети, достаточно воспользоваться простым мультиметром, для того, чтобы замерить характеристики фазового подключения потребуется несколько специальных устройств (датчики тока, вольтметры и прочие).
Некоторые особенности сети:
- При разводке такой проводки не требуется использовать профессиональные приборы- все измерения проводятся отвертками с индикаторами;
- При соединении проводников нет необходимости подключать нулевой провод, т. к. благодаря свободной нейтрали, риск поражения током крайне мал;
- Электротехника использует такую схему подключения для различных электродвигателей и других устройств, требующих высокую мощность для работы. Дело в том, что используя этот тип напряжения есть возможность повысить КПД на треть, что является весьма полезным свойством, в особенности, для асинхронного двигателя;
- Схема используется как для переменного тока, так и для постоянного;
- Нужно помнить, что однофазное соединение можно подключить к трехфазной сети, но не наоборот;
- Но, у такой цепи есть и определенные недостатки. В линейном соединении проводников очень сложно обнаружить повреждения. Это способствует повышенной пожарной опасности.
Соответственно, основная разница между фазовым и линейным напряжением заключается в разности подсоединяемых проводов обмоток.
Для контроля и выравнивания этого параметра часто используется специальный прибор – линейный стабилизатор напряжения. Он позволяет поддерживать показатель на определённом уровне, при этом нормализуя повышенное. Еще одно его определение – импульсный стабилизатор. Устройство может подключаться к розетке, контактам электрических приборов и т. д.
Соединение
Линейное и фазное напряжение часто используется для запуска генератора. Рассмотрим, какие бывают соединения проводов на примере трехфазного генератора. Он состоит из первичных и вторичных обмоток. Их можно соединить звездой или треугольником.
Соединяя проводники в «треугольник» начало второй фазы соединяется с концом первой. Помимо этого, к каждому фазному проводнику подключаются линейные провода источника. Это выравнивает токи, исходя из чего, фазовое напряжение становится равным линейному. Аналогичная схема и для подключения трансформатора и двигателя.
Такое соединение также позволяет обеспечить нулевую электрическую движущую силу и постоянную частоту. Токи обмоток сдвигаются на 120 градусов, благодаря чему в общей схеме это соединение имеет вид трех отдельных токов, которые относительно друг друга сдвинуты на 2/3 периода. Это соотношение может изменяться в зависимости от типа подключаемого устройства и характеристик сети.
Аналогично можно подсоединить трехфазный асинхронный двигатель, стабилизатор или усилитель в сеть 220 вольт «звездой». Эта схема подразумевает подключение начала обмоток к сети. Тогда от входа начнет двигаться ток с характеристиками сети. Контакты выхода (концы обмоток), соединятся с началом при помощи специальных перемычек. Таким образом, межфазное напряжение будет протекать через все активные контакты.
В изолированной сети используются различные пусковые конденсаторы для запуска системы. Аналогично соединяются клеммы на обмотках. Это подключение часто используется для понижающих трансформаторов и различных двигателей, предусмотренных для работы в однофазной сети.
∑ Ik = 0;, которая говорит о том, что в любом узле цепи сила тока равна нулю.
И закон Ома:
I = U / R . Зная эти законы можно без проблем рассчитать любую характеристику определенного контакта или сети.
При разветвлении системы может понадобиться вычислить напряжение между фазовым проводом и нейтральным:
I L = I F – эти параметры могут изменяться в зависимости от подключения. Отсюда следует, что линейные параметры равняются фазовым.
Но, в определенных ситуациях, необходимо рассчитать, чем равно соотношение напряжения между фазовым и линейным проводниками.
Для этого используется формула: Uл=Uф∙√3, где:
Uл –линейное, Uф – фазовое. Формула справедлива только если I L = I F .
При включении в сеть дополнительных отводов, нужно отдельно вычислять фазовое напряжение каждого из подключений. Тогда вместо Uф подставляются данные этого конкретного отвода.
При работе с промышленными установками может потребоваться расчет реактивной трехфазной мощности. Он производится по формуле:
Q = Qа + Qb + Qс
Аналогичный вид имеет формула активной.
Электрические цепи трехфазного переменного тока
Трехфазный электрический ток
Трехфазная цепь представляет собой совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные э.д.с. одинаковой частоты, отличающиеся по фазе одна от другой (φ = 120 о) и создаваемые общим источником энергии. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, принято называть фазой. Таким образом, слово фаза в электротехнике имеет два значения – угол φ и часть многофазной системы (отдельный фазный провод).
Основные преимущества трехфазной системы : возможность простого получения кругового вращающегося магнитного поля (это позволило создать электродвигатели переменного тока), экономичность и эффективность (мощность можно передать по трем фазным проводам без применения четвертого общего провода -нейтрали), а также возможность использования двух различных эксплуатационных напряжений в одной установке (фазного и линейного, которые обычно составляют 220 В и 380 В, соответственно).
История появления трехфазных электрических цепей связана с именем М.С. Доливо-Добровольского Петербургского ученого, который в 1886 г., доказав, что многофазные токи способны создавать вращающееся магнитное поле, предложил (запатентовал) конструкцию трехфазного электродвигателя.
Трехфазный ток является простейшей системой многофазных токов, способных создавать вращающееся магнитное поле. Этот принцип положен в основу работы трехфазных электродвигателей.
Предложив конструкцию электродвигателя переменного тока, М.С. Доливо-Добровольский разработал и все основные элементы трехфазной электрической цепи. Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, трехфазной линии электропередач и трехфазных приемников.
В результате предложенной трехфазной системы электрического тока стало возможным эффективно преобразовывать электрический ток в механическую энергию.
Электрическую энергию трехфазного тока получают в синхронных трехфазных генераторах (рис. 27). Три обмотки 2 статора 1 смещены между собой в пространстве на угол 120°. Их начала обозначены буквами А , В , С , а концы – x , y , z . Ротор 3 выполнен в виде постоянного электромагнита, магнитное поле которого возбуждает постоянный ток I , протекающий по обмотке возбуждения 4. Ротор принудительно приводится во вращение от постороннего двигателя. При вращении магнитное поле ротора последовательно пересекает обмотки статора и индуктирует в них ЭДС, сдвинутые (но уже во времени) между собой на угол 120°.
Трехфазный синхронный генератор
Для симметричной системы ЭДС (рис. 28) справедливо
Волновая и векторная диаграммы симметричной системы ЭДС
На диаграмме изображена прямая последовательность чередования фаз (пересечение ротором обмоток в порядке А , В , С ). При смене направления вращения чередование фаз меняется на обратное - А , С , В . От этого зависит направление вращения трехфазных электродвигателей.
Существует два способа соединения обмоток (фаз) генератора и трехфазного приемника: «звезда» и «треугольник».
В генераторах трехфазного тока электрическая энергия генерируется в трех одинаковых обмотках, соединенных по схеме звезда. Чтобы сэкономить на проводах линии передачи электроэнергии от генератора к потребителю тянутся только три провода. Провод от общей точки соединения обмоток не тянется, т.к. при одинаковых сопротивлениях нагрузки (при симметричной нагрузке) ток в нем равен нулю.
Схема замещения трехфазной системы, соединенной "звездой"
Согласно первому закону Кирхгофа можно записать I O = I А + I В + I С.
При равенстве ЭДС в фазных обмотках генератора и при равенстве сопротивлений нагрузки (т.е. при равенстве значений токов I А,I В,I С)в представленной на рисунке системе, с помощью векторных диаграмм можно показать, что результирующий ток I O в центральном проводнике будет равен нулю. Таким образом, получается, что в симметричных системах (когда сопротивления нагрузок одинаковы), центральный провод может отсутствовать и линия для передачи системы трехфазного тока может состоять только из трех проводов.
В распределительных низковольтных сетях, в которых присутствует много однофазных потребителей, обеспечение равномерной нагрузки каждой фазы становится не возможным, такие сети делаются четырехпроводными.
Для обеспечения электробезопасносности принято низковольтные потребительские сети (сети<1000В), выполнять 4-х проводными с глухо-заземленной нейтралью.
Напряжение между фазными проводами в линии принято называть линейным напряжением, а напряжение, измеренное между фазным проводом (фазой) и центральным – фазным напряжением.
В системах электроснабжения, в частности в генераторах и трансформаторах подстанций используется преимущественно соединения звездой.
Для низковольтных сетей (с напряжением менее 1000В) основным стандартным линейным (между фазными проводами) напряжением принимается напряжение 380 В, при этом фазное напряжение (между фазным проводом и центральным) будет составлять 220 В.
Низковольтные сети являются потребительскими сетями разного назначения, не обязательно питающими трехфазные двигатели. В таких сетях для питания различных потребителей могут быть использованы разные фазы по отдельности. В результате нагрузка разных фаз окажется неодинаковой. Кроме того, с целью техники безопасности, ПУЭ (правилами устройства электроустановок) устанавливается, что низковольтные трехфазные электрические сети должны устраиваться четырехпроводными, с глухозаземленной нейтралью. Для этого схема понижающего трансформатора (понижающей подстанции) обычно выглядит следующим образом.
(Высокое напряжение
Т.е. центральный, называемый при этом «нулевым», провод на вторичной обмотке трехфазного трансформатора подключается к заземляющему устройству и подводится к потребителям наряду с фазными проводами.
Страница 8 из 16
В трехфазной электрической сети различают линейное и фазное напряжения.
Линейное (его называют также междуфазным или межфазным) – это напряжение между двумя фазными проводами.
Фазное – между нулевым проводом и одним из фазных. Линейные напряжения при нормальных эксплуатационных условиях одинаковы и в 1,73 раза больше фазных, т. е. напряжение между нулевым и фазным проводом (фазное) составляет 58 % линейного напряжения. Напряжение трехфазной сети принято оценивать по линейному напряжению. Для отходящих от ТП трехфазных линий установлено номинальное линейное напряжение 380 В, что соответствует фазному 220 В. В обозначении номинального напряжения трехфазных четырехпроводных сетей указывают обе величины, т. е. 380/220 В. Этим подчеркивается, что к такой сети можно подключать не только трехфазные электроприемники на номинальное напряжение 380 В, но и однофазные на 220 В.
Трехфазная система 380/220 В с заземленной нейтралью получила наибольшее распространение, но в некоторых населенных пунктах и садовых кооперативах можно встретить иные системы распределения электроэнергии. Например, трехфазную с линейным напряжением 220 В и незаземленной (изолированной) нейтралью. Однофазные электроприемники 220 В подключают на линейное напряжение между любой парой фазных проводов, а трехфазные – к трем фазным проводам. При этой системе нулевой провод не требуется, а незаземленная нейтраль снижает вероятность поражения электрическим током в случае нарушения изоляции. Однако выявление нарушений изоляции в такой системе сложнее, чем при заземленной нейтрали.
Прохождение электрического тока по проводам сопровождается потерями и напряжение у потребителей оказывается несколько меньшим, чем в начале линии у ТП. Чтобы обеспечить приемлемые уровни напряжения вдоль всей линии, на ТП приходится поддерживать напряжение выше номинала, т. е. не 380/220 В, а 400/230 В. В электрических сетях сельских районов у потребителей, согласно действующим нормам, допускаются отклонения напряжения на 7,5 % от номинального значения. Значит, на трехфазном электроприемнике допускается напряжение в пределах 350–410 В, а на однофазном 200–240 В.
Отклонения напряжения. Однако бывают случаи, когда величина напряжения выходит за допустимые пределы. При понижении напряжения заметно падает интенсивность электрического освещения от ламп накаливания, уменьшается производительность электронагревательных приборов, нарушается устойчивость работы телевизоров и других радиоэлектронных приборов с электропитанием от сети. Повышение напряжения приводит к преждевременному выходу из строя электроламп и нагревательных приборов. Электродвигатели в меньшей степени чувствительны к отклонениям напряжения.
Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов: трехфазного генератора, линии передачи со всем необходимым оборудованием, приемников (потребителей). Напряжение между линейным проводом и нейтралью (Ua, Ub, Uc) называется фазным . Напряжение между двумя линейными проводами (UAB, UBC, UCA) называется линейным . Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:
13. Симметричный и несимметричный приемники в трехфазных цепях, векторные диаграммы.
.
Векторная диаграмма при соединении приемника звездой в случае симметричной нагрузки .
14. Ток в нейтральном проводе в трехфазных цепях. Нейтральный (нулевой рабочий) провод - провод, соединяющий между собой нейтрали электроустановок в трёхфазных электрических сетях. При соединении обмоток генератора и приёмника электроэнергии по схеме «звезда» фазное напряжение зависит от подключаемой к каждой фазе нагрузки. В случае подключения, например, трёхфазного двигателя, нагрузка будет симметричной, и напряжение между нейтральными точками генератора и двигателя будет равно нулю. Однако, в случае, если к каждой фазе подключается разная нагрузка, в системе возникнет так называемое напряжение смещения нейтрали , которое вызовет несимметрию напряжений нагрузки. На практике это может привести к тому, что часть потребителей будет иметь пониженное напряжение, а часть повышенное. Пониженное напряжение приводит к некорректной работе подключённых электроустановок, а повышенное может, кроме этого, привести к повреждению электрооборудования или возникновению пожара . Соединение нейтральных точек генератора и приёмника электроэнергии нейтральным проводом позволяет снизить напряжение смещения нейтрали практически до нуля и выровнять фазные напряжения на приёмнике электроэнергии. Небольшое напряжение будет обусловлено только сопротивлением нулевого провода.
Трехфазные цепи с нейтральным проводе называют четерехпроводными цепями.
Обычно сопротивлением проводов не учитывается /
Тогда фазные напр. приемника будут равны фазн. напряжением генератора. .
При
том что комплексные сопротивления
равны
,
то токи определяются
В соответствии с 1 зак. Киргофа ток в нейтр. проводе
При симмет. напр.
При
несим. напр.
Нейтр провод выравнивает фазные напряжения.
15И16 Режимы работы трехфазного премника.
Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.
Соединение в звезду
На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.
Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).
Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.
Все
величины, относящиеся к фазам, носят
название фазных
переменных,
к
линии - линейных.
Как
видно из схемы на рис. 6, при соединении
в звезду линейные токи иравны
соответствующим фазным токам. При
наличии нейтрального провода ток в
нейтральном проводе
.
Если система фазных токов симметрична,
то.
Следовательно, если бы симметрия токов
была гарантирована, то нейтральный
провод был бы не нужен. Как будет показано
далее, нейтральный провод обеспечивает
поддержание симметрии напряжений на
нагрузке при несимметрии самой нагрузки.
Поскольку
напряжение на источнике противоположно
направлению его ЭДС, фазные напряжения
генератора (см. рис. 6) действуют от точек
А, В и С к нейтральной точке N; 
-
фазные напряжения нагрузки.
Линейные
напряжения действуют между линейными
проводами. В соответствии со вторым
законом Кирхгофа для линейных напряжений
можно записать
Отметим, что всегда - как сумма напряжений по замкнутому контуру.
На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при осно. вании, равными 300), в этом случае
Обычно
при расчетах принимается 
.
Тогда для случаяпрямого
чередования фаз 
, (приобратном
чередовании фаз
фазовые
сдвиги у именяются
местами). С учетом этого на основании
соотношений (1) …(3) могут быть определены
комплексы линейных напряжений. Однако
при симметрии напряжений эти величины
легко определяются непосредственно
из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя
вещественную ось системы координат по
вектору(его
начальная фаза равна нулю), отсчитываем
фазовые сдвиги линейных напряжений по
отношению к этой оси, а их модули
определяем в соответствии с (4). Так для
линейных напряженийиполучаем:
;
.
Соединение в треугольник
В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).
Для симметричной системы ЭДС имеем
.
Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.
Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.
Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями
Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.
На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов
В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».